JP6856974B2 - Solid-state image sensor and electronic equipment - Google Patents
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Description
本開示は、固体撮像素子および電子機器に関し、特に、中空領域を用いて容量を低減することができるようにした固体撮像素子および電子機器に関する。 The present disclosure relates to a solid-state image sensor and an electronic device, and more particularly to a solid-state image sensor and an electronic device whose capacity can be reduced by using a hollow region.
CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)イメージセンサにおいて、画素の微細化が進むと、フォトダイオードの開口面積が縮小し、感度が低下する。また、画素トランジスタのサイズが縮小し、ランダムノイズが悪化する。その結果、S/N(Signal/Noise)比が低下し、画質が劣化する。 In a CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) image sensor, as the pixel miniaturization progresses, the aperture area of the photodiode decreases and the sensitivity decreases. In addition, the size of the pixel transistor is reduced, and random noise is exacerbated. As a result, the S / N (Signal / Noise) ratio decreases and the image quality deteriorates.
そこで、FD(フローティングディフュージョン)の寄生容量を小さくして、電荷電圧変換効率を向上させることにより、S/N比を向上させることが考えられている。 Therefore, it is considered to improve the S / N ratio by reducing the parasitic capacitance of the FD (floating diffusion) and improving the charge-voltage conversion efficiency.
FDの寄生容量は、FDの拡散容量、FD配線を介してFDに接続する増幅トランジスタのゲート電極の容量、FD配線の容量等からなる。FDの拡散容量は、FDのN型不純物を低濃度化することにより低減可能である。しかしながら、この場合コンタクト不良が懸念される。 The parasitic capacitance of the FD includes the diffusion capacitance of the FD, the capacitance of the gate electrode of the amplification transistor connected to the FD via the FD wiring, the capacitance of the FD wiring, and the like. The diffusion capacity of the FD can be reduced by reducing the concentration of N-type impurities in the FD. However, in this case, there is a concern about poor contact.
また、増幅トランジスタのゲート電極の容量は、増幅トランジスタのサイズを縮小することにより低減可能である。しかしながら、増幅トランジスタのサイズが縮小すると、ランダムノイズが悪化する。 Further, the capacitance of the gate electrode of the amplification transistor can be reduced by reducing the size of the amplification transistor. However, as the size of the amplification transistor decreases, the random noise worsens.
さらに、FD配線の容量は、配線レイアウトの工夫等である程度は削減できる。しかしながら、FDは、増幅トランジスタと接続する必要があるため、配線レイアウトには、画素の共有方式に基づく制限がある。従って、配線レイアウトの工夫によりFD配線の容量を低減することは困難である。 Further, the capacity of the FD wiring can be reduced to some extent by devising the wiring layout or the like. However, since the FD needs to be connected to the amplification transistor, the wiring layout is limited based on the pixel sharing method. Therefore, it is difficult to reduce the capacity of the FD wiring by devising the wiring layout.
そこで、配線層周辺の全体を低誘電率膜に変更することにより、FD配線の容量を低減する方法が考案されている(例えば、特許文献1参照)。 Therefore, a method has been devised to reduce the capacitance of the FD wiring by changing the entire periphery of the wiring layer to a low dielectric constant film (see, for example, Patent Document 1).
容量を低減する方法として、特許文献1に記載された方法以外の方法が望まれている。
As a method for reducing the capacity, a method other than the method described in
本開示は、このような状況に鑑みてなされたものであり、中空領域を用いて容量を低減することができるようにするものである。 The present disclosure has been made in view of such a situation, and makes it possible to reduce the capacity by using a hollow region.
本開示の一側面の固体撮像素子は、フローティングディフュージョンとFD配線とを接続する第1の配線と、増幅トランジスタと前記FD配線とを接続する第2の配線とを有し、前記第1の配線と前記第2の配線の間の領域が、複数の中空領域であるように構成されており、前記FD配線は、光入射面に対して垂直な方向で、前記フローティングディフュージョンおよび前記増幅トランジスタそれぞれと重なる位置に配置される固体撮像素子である。 The solid-state imaging device on one side of the present disclosure has a first wiring for connecting the floating diffusion and the FD wiring, and a second wiring for connecting the amplification transistor and the FD wiring, and the first wiring. The region between the second wiring and the second wiring is configured to be a plurality of hollow regions, and the FD wiring is in a direction perpendicular to the light incident surface with the floating diffusion and the amplification transistor, respectively. It is a solid-state imaging element arranged at an overlapping position.
本開示の一側面の電子機器は、本開示の一側面の固体撮像素子に対応する。 The electronic device on one side of the present disclosure corresponds to the solid-state image sensor on the one side of the present disclosure.
本開示の一側面においては、フローティングディフュージョンとFD配線とを接続する第1の配線と、増幅トランジスタと前記FD配線とを接続する第2の配線とを有し、前記第1の配線と前記第2の配線の間の領域が、複数の中空領域であるように構成され、前記FD配線は、光入射面に対して垂直な方向で、前記フローティングディフュージョンおよび前記増幅トランジスタそれぞれと重なる位置に配置される。 In one aspect of the present disclosure, the first wiring for connecting the floating diffusion and the FD wiring and the second wiring for connecting the amplification transistor and the FD wiring are provided, and the first wiring and the first wiring are provided. The region between the two wirings is configured to be a plurality of hollow regions, and the FD wiring is arranged at a position perpendicular to the light incident surface and overlapping the floating diffusion and the amplification transistor, respectively. To.
本開示の一側面によれば、容量を低減することができる。また、本開示の一側面によれば、中空領域を用いて容量を低減することができる。 According to one aspect of the present disclosure, the capacity can be reduced. Further, according to one aspect of the present disclosure, the hollow region can be used to reduce the capacity.
なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれかの効果であってもよい。 The effects described here are not necessarily limited, and may be any of the effects described in the present disclosure.
以下、本開示を実施するための形態(以下、実施の形態という)について説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
1.第1実施の形態:CMOSイメージセンサ(図1乃至図6)
2.第2実施の形態:CMOSイメージセンサ(図7)
3.第3実施の形態:CMOSイメージセンサ(図8乃至図32)
4.第4実施の形態:CMOSイメージセンサ(図33乃至図35)
5.第5実施の形態:電子機器(図36)
6.CMOSイメージセンサの使用例(図37)
Hereinafter, embodiments for carrying out the present disclosure (hereinafter referred to as embodiments) will be described. The explanation will be given in the following order.
1. 1. First Embodiment: CMOS image sensor (FIGS. 1 to 6)
2. Second embodiment: CMOS image sensor (Fig. 7)
3. 3. Third Embodiment: CMOS image sensor (FIGS. 8 to 32)
4. Fourth Embodiment: CMOS image sensor (FIGS. 33 to 35)
5. Fifth Embodiment: Electronic device (FIG. 36)
6. Usage example of CMOS image sensor (Fig. 37)
<第1実施の形態>
(CMOSイメージセンサの第1実施の形態の構成例)
図1は、本開示を適用した固体撮像素子としてのCMOSイメージセンサの第1実施の形態の構成例を示す図である。
<First Embodiment>
(Structure example of the first embodiment of the CMOS image sensor)
FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a first embodiment of a CMOS image sensor as a solid-state image sensor to which the present disclosure is applied.
CMOSイメージセンサ50は、画素領域51、画素駆動線52、垂直信号線53、垂直駆動部54、カラム処理部55、水平駆動部56、システム制御部57、信号処理部58、およびメモリ部59が、図示せぬシリコン基板等の半導体基板(チップ)に形成されたものである。
The
CMOSイメージセンサ50の画素領域51には、入射光の光量に応じた電荷量の電荷を発生して内部に蓄積する光電変換素子を有する画素が、行列状に2次元配置され、撮像を行う。また、画素領域51には、行列状の画素に対して行ごとに画素駆動線52が形成され、列ごとに垂直信号線53が形成される。
In the
垂直駆動部54は、シフトレジスタやアドレスデコーダなどによって構成され、画素領域51の各画素を行単位で駆動する。垂直駆動部54の各行に対応した図示せぬ出力端には、画素駆動線52の一端が接続されている。垂直駆動部54の具体的な構成について図示は省略するが、垂直駆動部54は、読み出し走査系および掃き出し走査系の2つの走査系を有する構成となっている。
The
読み出し走査系は、各画素からの画素信号を行単位で順に読み出すように、各行を順に選択し、選択行の画素駆動線52と接続する出力端から選択信号等を出力する。これにより、読み出し走査系により選択された行の画素は、光電変換素子に蓄積された電荷の電気信号を画素信号として読み出し、垂直信号線53に供給する。
The read-out scanning system selects each line in order so as to read the pixel signals from each pixel in order in line units, and outputs the selection signal or the like from the output end connected to the
掃き出し走査系は、光電変換素子から不要な電荷を掃き出す(リセットする)ために、各行の画素駆動線52と接続する出力端から出力するリセット信号をオンにする。この掃き出し走査系による走査により、いわゆる電子シャッタ動作が行ごとに順に行われる。ここで、電子シャッタ動作とは、光電変換素子の電荷を捨てて、新たに露光を開始する(電荷の蓄積を開始する)動作のことをいう。
The sweep-out scanning system turns on the reset signal output from the output end connected to the
カラム処理部55は、画素領域51の列ごとに信号処理回路を有する。カラム処理部55の各信号処理回路は、選択行の各画素から垂直信号線53を通して出力される画素信号に対して、A/D変換処理等の信号処理を行う。カラム処理部55は、信号処理後の画素信号を一時的に保持する。
The
水平駆動部56は、シフトレジスタやアドレスデコーダなどによって構成され、カラム処理部55の信号処理回路を順番に選択する。この水平駆動部56による選択走査により、カラム処理部55の各信号処理回路で信号処理された画素信号が順番に信号処理部58に出力される。
The
システム制御部57は、各種のタイミング信号を生成するタイミングジェネレータ等によって構成され、タイミングジェネレータで生成された各種のタイミング信号を基に垂直駆動部54、カラム処理部55、および水平駆動部56を制御する。
The
信号処理部58は、カラム処理部55から出力される画素信号に対して種々の信号処理を行う。このとき、信号処理部58は、必要に応じて、信号処理の途中結果などをメモリ部59に格納し、必要なタイミングで参照する。信号処理部58は、信号処理後の画素信号を出力する。
The
メモリ部59は、DRAM(Dynamic Random Access Memory)やSRAM(Static Random Access Memory)などにより構成される。
The
(画素の回路構成例)
図2は、図1の画素領域51に2次元配置される画素の回路構成例を示す図である。
(Example of pixel circuit configuration)
FIG. 2 is a diagram showing a circuit configuration example of pixels two-dimensionally arranged in the
画素90は、光電変換素子としてのフォトダイオード91、転送トランジスタ92、FD93、リセットトランジスタ94、増幅トランジスタ95、および選択トランジスタ96を有する。
The
フォトダイオード91は、受光量に応じた電荷を生成し、蓄積する。フォトダイオード91は、アノード端子が接地されているとともに、カソード端子が転送トランジスタ92を介して、FD93に接続されている。
The
転送トランジスタ92のゲート端子は、画素90に対して形成された画素駆動線52のうちの、転送信号を供給する線に接続される。転送トランジスタ92は、転送信号によりオンされたとき、フォトダイオード91で生成された電荷を読み出し、FD93に転送する。
The gate terminal of the
FD93は、フォトダイオード91から読み出された電荷を保持する。リセットトランジスタ94のゲート端子は、画素90に対して形成された画素駆動線52のうちのリセット信号を供給する線に接続される。リセットトランジスタ94は、リセット信号によりオンにされたとき、FD93に蓄積されている電荷を電位VDDの電源97に排出することで、FD93の電位をリセットする。
The
増幅トランジスタ95のゲート端子は、FD93に接続され、増幅トランジスタ95は、電源97を用いてFD93の電位に応じた画素信号を出力する。
The gate terminal of the
選択トランジスタ96のゲート端子は、画素90に対して形成された画素駆動線52のうちの選択信号を供給する線に接続される。選択トランジスタ96は、選択信号によりオンにされたとき、増幅トランジスタ95から出力される画素信号を、垂直信号線53を介して図1のカラム処理部55に供給する。
The gate terminal of the
なお、FD93は、複数の画素90の間で共有されてもよい。
The
(CMOSイメージセンサの第1の構造例)
図3は、CMOSイメージセンサ50の第1の構造例を示す図である。
(First structural example of CMOS image sensor)
FIG. 3 is a diagram showing a first structural example of the
図3に示すように、CMOSイメージセンサ50は、シリコン基板などの半導体基板111に配線層112が積層されることにより構成される。配線層112は、例えば、5つの配線層121乃至125により構成される。
As shown in FIG. 3, the
半導体基板111には、フォトダイオード91、FD93、電源97等が形成される。また、半導体基板111上のフォトダイオード91とFD93の間には、転送トランジスタ92が形成され、電源97には、増幅トランジスタ95が接続されている。また、配線層124には、垂直信号線53が形成される。
A
増幅トランジスタ95は、配線層121に形成されるビア131を介して、配線層122に形成されるFD配線132と接続する。一方、FD93は、配線層121に形成されるビア131を介して、FD配線132と接続する。これにより、増幅トランジスタ95とFD93は、ビア131とFD配線132を介して接続する。
The
また、電源97は、配線層121に形成されるビア131を介して、配線層122に形成される配線133と接続する。転送トランジスタ92は、配線層121に形成されるビア131を介して、配線層122に形成されるTRG配線134と接続する。
Further, the
配線層121乃至125の配線等が形成されない領域には、SiO膜などの配線層間膜130が形成される。但し、図3の例では、FD配線132と、FD配線132以外の、配線層122に形成された、FD配線132と隣接する配線133およびTRG配線134との間の全領域を含む、FD配線132の周囲の領域は、中空領域135である。FD配線132と中空領域135は接している。
A
配線層間膜130がSiO膜である場合、中空領域(Air)135の誘電率は、配線層間膜130の誘電率の1/4倍になる。従って、中空領域135が形成されることにより、FD配線132の容量は、中空領域135が形成されない場合の1/4程度に低減する。
When the
また、配線層122の中空領域135以外の領域には、配線層間膜130が形成されるので、配線層122全体に配線層間膜130が形成されない場合に比べて、機械的強度が強い。
Further, since the
(CMOSイメージセンサの第2の構造例)
図4は、CMOSイメージセンサ50の第2の構造例を示す図である。
(Second structural example of CMOS image sensor)
FIG. 4 is a diagram showing a second structural example of the
図4に示す構成のうち、図3の構成と同じ構成には同じ符号を付してある。重複する説明については適宜省略する。 Of the configurations shown in FIG. 4, the same configurations as those in FIG. 3 are designated by the same reference numerals. Duplicate explanations will be omitted as appropriate.
図4のCMOSイメージセンサ50の構造は、中空領域135の代わりに中空領域201乃至206が形成される点が、図3の構造と異なる。
The structure of the
図4の例では、FD配線132と配線133およびTRG配線134との間の全領域を含む、FD配線132の周囲の領域に、FD配線132、配線133、およびTRG配線134と接しないように、中空領域201乃至206が形成される。
In the example of FIG. 4, the area around the FD wiring 132 including the entire area between the
(CMOSイメージセンサの第3の構造例)
図5は、CMOSイメージセンサ50の第3の構造例を示す図である。
(Third structural example of CMOS image sensor)
FIG. 5 is a diagram showing a third structural example of the
図5に示す構成のうち、図3の構成と同じ構成には同じ符号を付してある。重複する説明については適宜省略する。 Of the configurations shown in FIG. 5, the same configurations as those in FIG. 3 are designated by the same reference numerals. Duplicate explanations will be omitted as appropriate.
図5のCMOSイメージセンサ50の構造は、中空領域135の代わりに中空領域221が形成される点が、図3の構造と異なる。
The structure of the
図5の例では、FD配線132と配線133およびTRG配線134との間の全領域ではなく、FD配線132と配線133との間の領域のみを含む、FD配線132の周囲の領域が、中空領域221である。
In the example of FIG. 5, the area around the
即ち、FD配線132は、アナログ信号を扱うため、デジタル信号を扱う垂直信号線53等の配線に比べて、ノイズに対する耐性が弱い。従って、電源97と接続する、ノイズ源となる配線133とFD配線132との容量は削減される方が望ましい。しかしながら、TRG配線134とFD配線132の間の容量は維持された方が良い場合がある。
That is, since the FD wiring 132 handles analog signals, it has weaker resistance to noise than wirings such as
従って、図5の例では、FD配線132と、隣接する配線133およびTRG配線134との間の領域のうちの、FD配線132と配線133との間の領域のみを含む、FD配線132の周囲の領域が、中空領域221にされる。即ち、FD配線132と、隣接する配線133およびTRG配線134との間の領域のうちの、FD配線132とTRG配線134との間の領域以外の領域が、中空領域221にされる。
Therefore, in the example of FIG. 5, the periphery of the FD wiring 132 including only the region between the
これにより、FD配線132とノイズ発生源となる配線133の間の容量を介したノイズ伝播を抑制することができる。また、TRG配線134とFD配線132の間の容量を維持することできる。
As a result, noise propagation via the capacitance between the
なお、中空領域221は、図5に示すようにFD配線132および配線133と接していてもよいし、接していなくてもよい。
The
(CMOSイメージセンサの第4の構造例)
図6は、CMOSイメージセンサ50の第4の構造例を示す図である。
(Fourth structural example of CMOS image sensor)
FIG. 6 is a diagram showing a fourth structural example of the
図6に示す構成のうち、図3の構成と同じ構成には同じ符号を付してある。重複する説明については適宜省略する。 Of the configurations shown in FIG. 6, the same configurations as those in FIG. 3 are designated by the same reference numerals. Duplicate explanations will be omitted as appropriate.
図6のCMOSイメージセンサ50の構造は、中空領域135の他に中空領域241が形成される点が、図3の構造と異なる。
The structure of the
図6の例では、垂直信号線53の周囲の全領域が、中空領域241である。
In the example of FIG. 6, the entire region around the
即ち、垂直信号線53の本数が多い場合、高速駆動を行うことができるが、配線密度が増大し、垂直信号線53の容量が増加する。その結果、応答性が悪化し、画素信号のばらつきが増加し、撮像画像の画質が劣化する。そこで、図6の例では、垂直信号線53の周囲の全領域が、中空領域241にされる。これにより、垂直信号線53の容量を低減することができる。その結果、高速駆動の際の画素信号のばらつきを抑制し、撮像画像の画質を向上させることができる。
That is, when the number of
図6の例では、垂直信号線53の周囲の全領域が、中空領域241であるようにしたが、垂直信号線53の周囲の一部の領域のみが、中空領域241であるようにしてもよい。また、中空領域135の代わりに、中空領域201乃至206または中空領域221が形成されるようにしてもよい。
In the example of FIG. 6, the entire region around the
さらに、中空領域241は、図6に示すように垂直信号線53の隣りの配線と接してもよいし、接していなくてもよい。
Further, the
以上のように、CMOSイメージセンサ50では、FD配線132と、配線133およびTRG配線134のそれぞれとの間の少なくとも一部の領域が、中空領域135(201乃至206,221)である。従って、配線レイアウトを変更する必要なく、FD配線132の容量を低減し、電荷電圧変換効率を向上させることができる。
As described above, in the
また、配線レイアウトを変更する必要がないため、CMOSイメージセンサ50の画素の共有方式として、任意の方式を採用することができる。
Further, since it is not necessary to change the wiring layout, any method can be adopted as the pixel sharing method of the
なお、配線層121乃至125の配線および中空領域135(201乃至206,221,241)以外の領域には、配線層間膜130ではなく、低誘電率膜が形成されるようにしてもよい。
A low dielectric constant film may be formed instead of the
<第2実施の形態>
(CMOSイメージセンサの第2実施の形態の画素の回路構成例)
本開示を適用した固体撮像素子としてのCMOSイメージセンサの第2実施の形態の構成は、画素領域51に2次元配置される画素の回路構成および掃き出し走査系の動作を除いて、図1のCMOSイメージセンサと同一である。従って、以下では、画素の回路構成および掃き出し走査系の動作についてのみ説明し、CMOSイメージセンサの画素以外の構成要素については、図1の符号を用いて説明する。
<Second Embodiment>
(Example of pixel circuit configuration of the second embodiment of the CMOS image sensor)
The configuration of the second embodiment of the CMOS image sensor as a solid-state image sensor to which the present disclosure is applied is the CMOS of FIG. 1 except for the circuit configuration of the pixels two-dimensionally arranged in the
図7は、本開示を適用したCMOSイメージセンサの第2実施の形態の画素の回路構成例を示す図である。 FIG. 7 is a diagram showing an example of a pixel circuit configuration of a second embodiment of a CMOS image sensor to which the present disclosure is applied.
図7に示す構成のうち、図2の構成と同じ構成には同じ符号を付してある。重複する説明については適宜省略する。 Of the configurations shown in FIG. 7, the same configurations as those in FIG. 2 are designated by the same reference numerals. Duplicate explanations will be omitted as appropriate.
図7の画素300の回路構成は、FD93の代わりにFD301および302が設けられる点、および、リセットトランジスタ94の代わりに、リセットトランジスタ303および304が設けられる点が、図2の画素90の回路構成と異なる。画素300は、リセットトランジスタ304のオン/オフを切り替えることで、撮像モードを、高電荷電圧変換効率モードまたは低電荷電圧変換効率モードに切り替えることができる。
The circuit configuration of the
具体的には、画素300では、増幅トランジスタ95のゲート端子が、FD301に接続される。また、電源97とFD301の間には、FD302を介して直列に接続されるリセットトランジスタ303とリセットトランジスタ304が、接続される。
Specifically, in the
リセットトランジスタ303とリセットトランジスタ304のゲート端子には、それぞれ、対応する行の画素駆動線52のうちの異なる線が接続され、その線を介して異なるリセット信号が供給される。リセットトランジスタ303に供給されるリセット信号は、垂直駆動部54の掃き出し走査系により、フォトダイオード91から不要な電荷を掃き出すためにオンにされる。
Different lines of the
リセットトランジスタ304に供給されるリセット信号は、撮像モードが高電荷電圧変換効率モードである場合、掃き出し走査系により、常にオンにされる。従って、この場合、リセットトランジスタ303に供給されるリセット信号がオンにされると、FD301の電位が電源97の電位VDDとなり、画素300のFDの容量は、FD301の容量のみとなる。よって、電荷電圧変換効率は高くなる。
The reset signal supplied to the
一方、撮像モードが低電荷電圧変換効率モードである場合、リセットトランジスタ304に供給されるリセット信号は、掃き出し走査系により、常にオフにされる。従って、この場合、リセットトランジスタ303に供給されるリセット信号がオンにされると、FD302の電位が電源97の電位VDDとなり、画素300のFDの容量は、FD301とFD302の容量の総和となる。よって、電荷電圧変換効率は低くなる。
On the other hand, when the imaging mode is the low charge voltage conversion efficiency mode, the reset signal supplied to the
以上のように構成される画素300では、高電荷電圧変換効率モードと低電荷電圧変換効率モードの電荷電圧変換効率の比(以下、モード比という)が、FD301の容量と、FD301とFD302の容量の総和との比によって決定される。また、FD301およびFD302の容量は、それぞれ、FD301と接続する図示せぬFD配線の容量、FD302と接続する図示せぬFD配線の容量に寄与する。
In the
従って、画素300では、モード比が所望の比になるように、FD301およびFD302のそれぞれに接続する2つのFD配線のうちの、例えばFD301に接続するFD配線の周囲に、中空領域135(201乃至206,221)と同様の中空領域が形成される。
Therefore, in the
即ち、上述したように、FD配線の周囲に中空領域を形成することにより、中空領域が形成されない場合に比べてFD配線の容量を低減することができる。従って、FD301に接続するFD配線の容量が、FD302の容量と所望のモード比に基づいて決定されるFD301の容量に対応するFD配線の容量になるように、中空領域を形成する。 That is, as described above, by forming the hollow region around the FD wiring, the capacity of the FD wiring can be reduced as compared with the case where the hollow region is not formed. Therefore, the hollow region is formed so that the capacity of the FD wiring connected to the FD 301 is the capacity of the FD wiring corresponding to the capacity of the FD 301 determined based on the capacity of the FD 302 and the desired mode ratio.
なお、中空領域は、FD302に接続するFD配線の周囲にのみ形成されてもよいし、FD301およびFD302のそれぞれに接続する2つのFD配線の周囲に形成されてもよい。また、FD301およびFD302は、複数の画素300の間で共有されてもよい。
The hollow region may be formed only around the FD wiring connected to the FD 302, or may be formed around the two FD wirings connected to each of the FD 301 and the FD 302. Further, the FD 301 and the FD 302 may be shared among a plurality of
以上のように、CMOSイメージセンサの第2実施の形態では、2つのFD301およびFD302が形成され、そのFD301およびFD302のそれぞれにFD配線が接続される。そして、少なくともいずれかのFD配線の周囲に中空領域が形成される。これにより、周囲に中空領域が形成されたFD配線の容量が、中空領域が形成されない場合に比べて低減し、その結果、モード比を所望の比にすることができる。 As described above, in the second embodiment of the CMOS image sensor, two FD301 and FD302 are formed, and FD wiring is connected to each of the FD301 and FD302. Then, a hollow region is formed around at least one of the FD wirings. As a result, the capacity of the FD wiring in which the hollow region is formed is reduced as compared with the case where the hollow region is not formed, and as a result, the mode ratio can be set to a desired ratio.
これに対して、FD301およびFD302のそれぞれに接続するFD配線の周囲に中空領域が形成されない場合、モード比は、配線レイアウトによって調整する必要がある。しかしながら、画素300が小さい場合配線レイアウトの自由度は低く、また、配線レイアウトには画素300の共有方式に基づく制限があるため、配線レイアウトによる調整は困難である。
On the other hand, when a hollow region is not formed around the FD wiring connected to each of the FD 301 and FD 302, the mode ratio needs to be adjusted by the wiring layout. However, when the
<第3実施の形態>
(CMOSイメージセンサの各部の配置例)
本開示を適用した固体撮像素子としてのCMOSイメージセンサの第3実施の形態の構成は、図1のCMOSイメージセンサ50の構成と同一であるため、説明は省略する。また、以降の図において、CMOSイメージセンサ50と同一のものには同一の符号を付してあり、説明は適宜省略する。
<Third Embodiment>
(Example of arrangement of each part of CMOS image sensor)
Since the configuration of the third embodiment of the CMOS image sensor as the solid-state image sensor to which the present disclosure is applied is the same as the configuration of the
図8は、CMOSイメージセンサの第3実施の形態の各部の配置例を示す図である。 FIG. 8 is a diagram showing an arrangement example of each part of the third embodiment of the CMOS image sensor.
図8のCMOSイメージセンサ320では、積層される2つの半導体基板321と半導体基板322のうちの一方の半導体基板321に画素領域51が配置され、他方の半導体基板322に制御回路331とロジック回路332が配置される。半導体基板321と半導体基板322には、1以上の配線層が積層されており、半導体基板321と半導体基板322は、配線層どうしが接合するように積層される。
In the
制御回路331は、例えば、垂直駆動部54、カラム処理部55、水平駆動部56、およびシステム制御部57からなる回路である。ロジック回路332は、例えば、信号処理部58とメモリ部59からなる回路である。
The
なお、ここでは、CMOSイメージセンサ320の半導体基板の層数は、2層であるようにするが、1層でもよいし、3層以上であってもよい。また、制御回路331は、画素領域51と同一の半導体基板321に形成されるようにしてもよい。
Here, the number of layers of the semiconductor substrate of the
(半導体基板321の第1の構造例)
図9は、図8の半導体基板321の画素領域51の第1の構造例を配線層側から見た平面図であり、図10は、図9のA−A´断面図およびB−B´断面図である。なお、説明の便宜上、図9では、半導体基板321と最下の1つの配線層のみ図示しており、図10では、半導体基板321と最下の2つの配線層のみを図示している。
(First structural example of semiconductor substrate 321)
9 is a plan view of a first structural example of the
図9および図10に示すように、CMOSイメージセンサ320では、水平方向に隣接する2つの画素90間でFD93が共有される。図10に示すように、画素領域51の最下の配線層351には、FD93と、リセットトランジスタ94のソース、および増幅トランジスタ95のゲートとを接続するFD配線361が形成される。
As shown in FIGS. 9 and 10, in the
図10に示すように、FD配線361は、FD93とビア361Aを介して接続され、半導体基板321に形成されたリセットトランジスタ94のソースとビア361Bを介して接続され、増幅トランジスタ95のゲートとビア361Cを介して接続される。
As shown in FIG. 10, the
また、図9に示すように、転送トランジスタ92のゲートには、画素駆動線52を構成する1つの配線であるTRG配線362が接続される。さらに、図10に示すように、配線層351の上の配線層352には、各種の配線363が形成される。
Further, as shown in FIG. 9,
図9および図10に示すように、配線層351において、FD配線361と、配線層351内の図示せぬ他の配線との間には、複数(図10の例では4個)の中空領域(Air Gap)364Aが形成される。また、電位が異なるFD配線361と半導体基板321の間にも、複数(図10の例では6個)の中空領域364Bが形成される。さらに、配線層352のFD配線361の上部の領域にも、複数の中空領域364Cが形成される。
As shown in FIGS. 9 and 10, in the
以上のように、FD配線361と、他の配線や半導体基板321などの他の電極との間に中空領域364A乃至364Cが形成されることにより、FD配線361と他の配線や電極との間の誘電率が低下し、FD配線361の容量が低減する。その結果、電荷電圧変換効率が向上する。
As described above, the
また、FD配線361と他の配線との間に形成される中空領域は、1つの中空領域ではなく、複数個の中空領域364Aにより構成される。従って、FD配線361の容量を低減するためにFD配線361と他の配線との間の間隔が大きくされる場合であっても、1つの中空領域のサイズを小さくすることができるため、中空領域を容易に形成することができる。
Further, the hollow region formed between the
配線層351および配線層352において、FD配線361、TRG配線362、配線363等の配線、中空領域364A乃至364C、転送トランジスタ92等のトランジスタが形成されない領域には、SiO膜などの絶縁膜353(配線層間膜)が形成される。第3実施の形態では、絶縁膜353の材料はSiO2であるものとするが、勿論、これに限定されない。
In the
以上のように、中空領域364A乃至364Cの間は絶縁膜353である、即ち中空領域364A乃至364Cは絶縁膜353によって支えられるため、導電体によって支えられる場合に比べて、FD配線361の容量を低減することができる。
As described above, the
(半導体基板321の第1の構造例の製造方法の説明)
図11乃至図14は、図9および図10の配線層351と配線層352が積層された半導体基板321の製造方法を説明する図である。
(Explanation of Manufacturing Method of First Structural Example of Semiconductor Substrate 321)
11 to 14 are views for explaining a method of manufacturing a
まず、図11の第1の工程において、フォトダイオード91、FD93、転送トランジスタ92、リセットトランジスタ94、増幅トランジスタ95等の画素90を構成するトランジスタ等が、半導体基板321に形成される。そして、半導体基板321上に絶縁膜353が成膜される。
First, in the first step of FIG. 11, transistors and the like constituting the
図11の第2の工程において、絶縁膜353上の、FD配線361と半導体基板321の間の中空領域364Bに対応する領域以外の領域にフォトレジスト381を塗布することにより、フォトレジストパターンが形成される。そして、フォトレジストパターンを用いて絶縁膜353のエッチングが行われる。これにより、フォトレジスト381が形成されていない領域、即ち、中空領域364Bに対応する領域の絶縁膜353が除去される。中空領域364Bのサイズは、フォトレジストパターンを変更することにより、制御することができる。
In the second step of FIG. 11, a photoresist pattern is formed by applying the
図12の第3の工程において、フォトレジストパターンが剥離され、カバレッジの悪い成膜方法で絶縁膜353が成膜される。これにより、FD配線361と半導体基板321の間の中空領域364Bが形成される。図12の第4の工程において、絶縁膜353において、ダマシンで、FD93が、リセットトランジスタ94のソースおよび増幅トランジスタ95のゲートと接続するように、FD配線361とビア361A乃至361Cが形成される。
In the third step of FIG. 12, the photoresist pattern is peeled off, and the insulating
図13の第5の工程において、絶縁膜353上の、FD配線361と同一配線層351内の図示せぬ他の配線の間の中空領域364Aに対応する領域以外の領域にフォトレジスト381を塗布することにより、フォトレジストパターンが形成される。そして、フォトレジストパターンを用いて絶縁膜353のエッチングが行われる。これにより、フォトレジスト381が形成されていない領域、即ち、中空領域364Aに対応する領域の絶縁膜353が除去される。
In the fifth step of FIG. 13, the
図13の第6の工程において、フォトレジストパターンが剥離され、カバレッジの悪い成膜方法で絶縁膜353が成膜される。これにより、中空領域364Aが形成される。図14の第7の工程において、配線層352の配線363がダマシンで形成される。
In the sixth step of FIG. 13, the photoresist pattern is peeled off, and the insulating
図14の第8の工程において、まず、図11の第2の工程および図12の第3の工程や図13の第5の工程および第6の工程と同様に、FD配線361の上の中空領域364Cが形成される。
In the eighth step of FIG. 14, first, the hollow above the
具体的には、絶縁膜353上の、FD配線361の上の中空領域364Cに対応する領域以外の領域にフォトレジスト381を塗布することにより、フォトレジストパターンが形成される。そして、フォトレジストパターンを用いて絶縁膜353のエッチングが行われ、これにより、中空領域364Cに対応する領域の絶縁膜353が除去される。その後、フォトレジストパターンが剥離され、カバレッジの悪い成膜方法で絶縁膜353が成膜される。
Specifically, the photoresist pattern is formed by applying the
なお、図11の第2の工程、図13の第5の工程、および図14の第8の工程においてエッチングされる絶縁膜353の厚み(半導体基板321に垂直な方向の長さ)、即ち中空領域364A乃至364Cの厚みは、例えば、0.数umより薄い。
The thickness of the insulating
以上のように、中空領域364A乃至364Cの上の絶縁膜353は、ガバレッジの悪い成膜方法で成膜されるため、中空領域364A乃至364Cの空洞を維持したまま、中空領域364A乃至364C上に絶縁膜353を形成することができる。中空領域364A乃至364Cの下の絶縁膜353の膜質は、中空領域364A乃至364Cの上の絶縁膜353の膜質と同一であってもよいし、異なっていてもよい。
As described above, since the insulating
(半導体基板321の第2の構造例)
図15は、図8の半導体基板321の画素領域51の第2の構造例の図9のA−A´断面図である。なお、説明の便宜上、図15では、半導体基板321と最下の2つの配線層のみを図示している。
(Second Structural Example of Semiconductor Substrate 321)
FIG. 15 is a cross-sectional view taken along the line AA'of FIG. 9 of a second structural example of the
図15に示す構成のうち、図10の構成と同じ構成には同じ符号を付してある。重複する説明については適宜省略する。 Of the configurations shown in FIG. 15, the same configurations as those in FIG. 10 are designated by the same reference numerals. Duplicate explanations will be omitted as appropriate.
図15の配線層351および配線層352が積層された半導体基板321の構成は、FD配線361と中空領域364Aの底面に接するように、ストッパ膜401が形成されている点が、図10の構成と異なる。
The configuration of the
ストッパ膜401は、ダマシンでFD配線361を形成する際に絶縁膜353のエッチングを止めるための膜であり、SiOC膜等である。
The
(半導体基板321の第2の構造例の製造方法の説明)
図16乃至図19は、図15の配線層351と配線層352が積層された半導体基板321の製造方法を説明する図である。
(Explanation of Manufacturing Method of Second Structural Example of Semiconductor Substrate 321)
16 to 19 are views for explaining a method of manufacturing a
まず、図11および図12の第1乃至第3の工程が行われ、FD配線361と半導体基板321の間の中空領域364Bが形成される。次に、図16および図18の第1乃至第6の工程において、ダマシンでFD配線361とビア361A乃至361Cが形成される。
First, the first to third steps of FIGS. 11 and 12 are performed to form a
即ち、図16の第1の工程において、中空領域364Bが形成された半導体基板321に絶縁膜353が成膜され、平坦化される。
That is, in the first step of FIG. 16, the insulating
図16の第2の工程において、絶縁膜353上にストッパ膜401が成膜される。図17の第3の工程において、ストッパ膜401の上に、所定の厚さの絶縁膜353が成膜される(積み増される)。
In the second step of FIG. 16, the
図17の第4の工程において、ストッパ膜401より下の絶縁膜353のビア361A乃至361Cに対応する領域がエッチングされ、ストッパ膜401より上の絶縁膜353のFD配線361に対応する領域がエッチングされる。ストッパ膜401より上の絶縁膜353のエッチングは、ストッパ膜401により停止される。即ち、ストッパ膜401より上の絶縁膜353のエッチング領域の底面は、ストッパ膜401の上面と接する。
In the fourth step of FIG. 17, the region corresponding to the
図18の第5の工程において、最上層の絶縁膜353に銅(Cu)402が成膜される。図18の第6の工程において、絶縁膜353より上の不要な銅402が除去され、これにより、FD配線361とビア361A乃至361Cが形成される。
In the fifth step of FIG. 18, copper (Cu) 402 is formed on the uppermost insulating
次に、図19の第7の工程において、絶縁膜353上の、FD配線361と同一配線層351内の図示せぬ他の配線との間の中空領域364Aに対応する領域以外の領域にフォトレジスト381を塗布することにより、フォトレジストパターンが形成される。そして、フォトレジストパターンを用いて、ストッパ膜401でエッチングが停止されるように、絶縁膜353のエッチングが行われる。これにより、フォトレジスト381が形成されていない領域、即ち、中空領域364Aに対応する領域の絶縁膜353が除去される。
Next, in the seventh step of FIG. 19, the region other than the region corresponding to the
その後、図13および図14の第6乃至第8の工程が行われ、中空領域364Aと中空領域364Cが形成される。
After that, the sixth to eighth steps of FIGS. 13 and 14 are performed to form the
以上により、全ての中空領域364Aの底面は、ストッパ膜401の上面と接する。即ち、全ての中空領域364Aの底面の厚さ方向の位置は同一である。従って、中空領域364Aの深さ(半導体基板321に垂直な方向の長さ)のバラツキが減少し、これにより、FD配線361の容量のバラツキが減少する。
As described above, the bottom surface of all the
なお、図19の第7の工程において、図20に示すように、ストッパ膜401で絶縁膜353のエッチングが停止された後、さらにエッチングを行うようにしてもよい。
In the seventh step of FIG. 19, as shown in FIG. 20, after the etching of the insulating
(半導体基板321の第3の構造例)
図21は、図8の半導体基板321の画素領域51の第3の構造例の図9のA−A´断面図である。なお、説明の便宜上、図21では、半導体基板321と最下の2つの配線層のみを図示している。
(Third structural example of semiconductor substrate 321)
FIG. 21 is a cross-sectional view taken along the line AA'of FIG. 9 of a third structural example of the
図21に示す構成のうち、図10の構成と同じ構成には同じ符号を付してある。重複する説明については適宜省略する。 Of the configurations shown in FIG. 21, the same configurations as those in FIG. 10 are designated by the same reference numerals. Duplicate explanations will be omitted as appropriate.
図21の配線層351および配線層352が積層された半導体基板321の構成は、連続する4個の中空領域364Aの下部が接続されている点、および、その中空領域364Aの上部の周囲の絶縁膜が絶縁膜353とは異なる材質の絶縁膜421である点が、図10の構成と異なる。
The configuration of the
絶縁膜421の材質は、例えばSiNである。
The material of the insulating
(半導体基板321の第3の構造例の製造方法の説明)
図22および図23は、図21の配線層351と配線層352が積層された半導体基板321の製造方法を説明する図である。
(Explanation of Manufacturing Method of Third Structural Example of Semiconductor Substrate 321)
22 and 23 are views for explaining a method of manufacturing a
まず、図11および図12の第1乃至第3の工程が行われ、FD配線361と半導体基板321の間の中空領域364Bが形成される。次に、図22の第1の工程において、絶縁膜353の上に絶縁膜421が形成される。そして、絶縁膜353および絶縁膜421において、ダマシンで、FD93と接続するように、FD配線361とビア361A乃至361Cが形成される。
First, the first to third steps of FIGS. 11 and 12 are performed to form a
次に、図22の第2の工程において、絶縁膜421上の、中空領域364Aに対応する領域以外の領域にフォトレジスト381を塗布することにより、フォトレジストパターンが形成される。
Next, in the second step of FIG. 22, a photoresist pattern is formed by applying the
そして、フォトレジストパターンを用いて絶縁膜353および絶縁膜421のエッチングが行われる。これにより、フォトレジスト381が形成されていない領域、即ち、中空領域364Aに対応する領域の絶縁膜353および絶縁膜421が除去される。
Then, the insulating
図23の第3の工程において、絶縁膜353のエッチングレートが、絶縁膜421のエッチングレートより大きくなる条件で、絶縁膜353および絶縁膜421の等方エッチングが行われる。これにより、絶縁膜353のみエッチングが行われ、4個の中空領域364Aの下部が接続される。
In the third step of FIG. 23, isotropic etching of the insulating
図23の第4の工程では、フォトレジストパターンが剥離され、カバレッジの悪い成膜方法で絶縁膜353が成膜される。このとき、中空領域364Aの下部のサイズは大きいが、上部のサイズは小さいため、下部に絶縁膜353の材料が到達する前に閉塞する。従って、中空領域364Aの空洞は維持される。その後、図14の第7および第8の工程が行われ、中空領域364Cが形成される。
In the fourth step of FIG. 23, the photoresist pattern is peeled off, and the insulating
なお、図24に示すように、中空領域364Aと同様に、中空領域364Bの上部の周囲に絶縁膜422が形成され、中空領域364Bの下部が接続されるようにしてもよい。また、図示は省略するが、中空領域364Cの下部が接続されるようにしてもよい。さらに、各中空領域364A乃至364Cの下部は、上部のサイズに比べて大きければよく、中空領域364A乃至364Cの下部どうしが接続していなくてもよい。
As shown in FIG. 24, similarly to the
(CMOSイメージセンサの第1の製造方法)
図25乃至図27は、図11乃至図14の製造方法により製造された半導体基板321と半導体基板322を接合することにより製造される図8のCMOSイメージセンサ320の第1の製造方法を説明する図である。
(First manufacturing method of CMOS image sensor)
25 to 27 show a first manufacturing method of the
図11乃至図14の製造方法により配線層351と配線層352が積層された半導体基板321が製造された後、さらに配線層431が積層される。そして、図25の第1の工程において、配線層352の絶縁膜353上の、画素領域51以外のTSV(through-silicon via)452が形成される領域の周囲の領域にフォトレジスト381を塗布することにより、フォトレジストパターンが形成される。そして、フォトレジストパターンを用いて絶縁膜353のエッチングが行われる。これにより、フォトレジスト381が形成されていない領域、即ちTSV452が形成される領域の周囲の領域の絶縁膜353が除去される。
After the
図25の第2の工程において、フォトレジストパターンが剥離され、カバレッジの悪い成膜方法で絶縁膜353が成膜される。これにより、TSV452(接続部)が形成される領域の周囲の領域に中空領域432が形成される。
In the second step of FIG. 25, the photoresist pattern is peeled off, and the insulating
図26の第3の工程において、半導体基板321と半導体基板322が接合される。
In the third step of FIG. 26, the
具体的には、図26の例では、半導体基板322には、各種の配線440が形成される4つの配線層441乃至444が積層されており、配線層441乃至444の配線440等が形成されない領域には絶縁膜445が形成されている。
Specifically, in the example of FIG. 26, four
最上層の配線層444の配線440は、例えばアルミニウム(Al)により形成され、最上層以外の配線層441乃至443の配線440は、例えば銅(Cu)により形成される。半導体基板321と半導体基板322は、半導体基板321の最上層の配線層431と、半導体基板322の最上層の配線層444が接合するように接合される。
The
半導体基板321と半導体基板322の接合後、半導体基板321の配線層351が積層される面と対向する面には、絶縁膜451が形成される。また、半導体基板321の配線層351が積層される面と対向する面の画素領域51に対応する領域には、図示せぬカラーフィルタやオンチップレンズ等が形成される。さらに、接合後の半導体基板321と半導体基板322に対して薄肉化が行われ、これにより、CMOSイメージセンサ320の膜厚が所望の膜厚にされる。
After joining the
次に、図27の第4の工程において、絶縁膜451、半導体基板321、絶縁膜353、および絶縁膜445の、TSV452が形成される領域がエッチングされ、TSV452が形成される。TSV452は、配線層444の配線440と配線層351の配線363に接続され、半導体基板321と半導体基板322を電気的に接続する。
Next, in the fourth step of FIG. 27, the region of the insulating
(CMOSイメージセンサの第2の製造方法)
図28乃至図31は、図11乃至図14の製造方法により製造された半導体基板321と半導体基板322を接合することにより製造される図8のCMOSイメージセンサ320の第2の製造方法を説明する図である。
(Second manufacturing method of CMOS image sensor)
28 to 31 describe a second manufacturing method of the
図11乃至図14の製造方法により配線層351と配線層352が積層された半導体基板321が製造された後、さらに配線層431が積層される。そして、図28の第1の工程において、半導体基板321の最上層の配線層352と、半導体基板322の最上層の配線層442が接合するように、半導体基板321と半導体基板322が接合される。
After the
また、半導体基板321と半導体基板322の接合後、半導体基板321の配線層351が積層される面と対向する面には、絶縁膜451が形成される。また、半導体基板321の配線層351が積層される面と対向する面の画素領域51に対応する領域には、図示せぬカラーフィルタやオンチップレンズ等が形成される。さらに、接合後の半導体基板321と半導体基板322に対して薄肉化が行われ、これにより、CMOSイメージセンサ320の膜厚が所望の膜厚にされる。
Further, after joining the
次に、図29の第2の工程において、絶縁膜451上の、画素領域51以外のTSV452が形成される領域の周囲の領域にフォトレジスト381を塗布することにより、フォトレジストパターンが形成される。そして、フォトレジストパターンを用いて半導体基板321並びに絶縁膜451および絶縁膜353のエッチングが行われる。これにより、フォトレジスト381が形成されていない領域、即ちTSV452が形成される領域の周囲の領域の半導体基板321並びに絶縁膜451および絶縁膜353が除去される。
Next, in the second step of FIG. 29, the photoresist pattern is formed by applying the
図30の第3の工程において、フォトレジストパターンが剥離され、カバレッジの悪い成膜方法で絶縁膜451が成膜される。これにより、TSV452が形成される領域の周囲の領域に、半導体基板321を貫通する中空領域432が形成される。
In the third step of FIG. 30, the photoresist pattern is peeled off, and the insulating
図31の第4の工程において、絶縁膜451、半導体基板321、絶縁膜353、および絶縁膜445の、TSV452が形成される領域がエッチングされ、TSV452が形成される。
In the fourth step of FIG. 31, the region of the insulating
なお、図32に示すように、第3の工程において、絶縁膜451が成膜される際、半導体基板321内の中空領域432に絶縁膜451が埋め込まれるようにしてもよい。また、TSV452は、1つのビアによって、配線層444の配線440と配線層351の配線363を接続してもよいし、2つのビアによって接続してもよい。
As shown in FIG. 32, when the insulating
以上のように、TSV452の周囲に中空領域432が形成されることにより、TSV452と半導体基板321の電位部分(例えばGND)との容量を低減することができる。
As described above, by forming the
なお、第3実施の形態において、中空領域364A乃至364Cおよび中空領域432の数は、1以上であれば任意の数にすることができる。また、中空領域364A乃至364Cおよび中空領域432の形状は、カバレッジの悪い成膜方法で絶縁膜が成膜されない形状であれば、どのような形状であってもよい。
In the third embodiment, the number of the
<第4実施の形態>
(画素領域内の中空領域の配置の説明)
本開示を適用した固体撮像素子としてのCMOSイメージセンサの第4実施の形態の構成および構造は、2(横)×2(縦)の画素90の間でFD93を共有する点、および、中空領域364A乃至364Cおよび中空領域432の配置および形状を除いて、CMOSイメージセンサ320の構成および構造と同一である。
<Fourth Embodiment>
(Explanation of arrangement of hollow area in pixel area)
The configuration and structure of the fourth embodiment of the CMOS image sensor as a solid-state image sensor to which the present disclosure is applied are a point in which the FD93 is shared between 2 (horizontal) × 2 (vertical)
従って、以下では、中空領域364A乃至364Cおよび中空領域432の配置および形状についてのみ説明する。また、以降の図において、CMOSイメージセンサ320と同一のものには同一の符号を付してあり、説明は適宜省略する。
Therefore, in the following, only the arrangement and shape of the
図33は、CMOSイメージセンサの第4実施の形態における画素領域51内の中空領域の配置を説明する、配線層351、配線層352、および配線層431が積層された半導体基板321の画素領域51を、配線層431側から見た平面図である。
FIG. 33 illustrates the arrangement of the hollow region in the
図33Aは、半導体基板321と配線層351のみを図示したものであり、図33Bは、半導体基板321と配線層431のみを図示したものである。
FIG. 33A shows only the
図33Aに示すように、CMOSイメージセンサの第4実施の形態では、配線層351において、FD配線361と、配線471などの同一配線層351内の他の配線との間に、中空領域472が形成される。これにより、配線層351内のFD配線361と他の配線との間の誘電率が低下し、FD配線361の容量が低減する。その結果、電荷電圧変換効率が向上する。
As shown in FIG. 33A, in the fourth embodiment of the CMOS image sensor, in the
また、図33Bに示すように、配線層431において、垂直信号線53と、配線473などの同一配線層431内の他の配線との間に、中空領域474が形成される。これにより、配線層431内の垂直信号線53と他の配線との間の誘電率が低下し、垂直信号線53の容量が低減する。その結果、画素信号の読み出しの遅延を防止することができる。
Further, as shown in FIG. 33B, in the
なお、図33Aの例では、FD配線361と他の配線との間に2つの中空領域472が形成されたが、中空領域472の数は、1以上であれば任意の数にすることができる。同様に、垂直信号線53と他の配線との間に形成される中空領域474の数も、1以上であれば任意の数にすることができる。
In the example of FIG. 33A, two
また、図33の例では、中空領域472および中空領域474の形状が、配線層431の上から見たときに矩形になる形状(ストライプ形状)であるようにしたが、中空領域472および中空領域474の形状は、任意の形状にすることができる。
Further, in the example of FIG. 33, the shapes of the
(画素領域内の中空領域の形状の例)
図34は、中空領域472の形状の他の例を示す、配線層351が積層された半導体基板321の画素領域51を配線層351側から見た平面図である。
(Example of the shape of the hollow region in the pixel region)
FIG. 34 is a plan view of the
中空領域472の形状は、例えば、図34Aに示すように、配線層351の上から見たときに円になる形状(ホール形状)であってもよいし、図34Bに示すように、網目になる形状(メッシュ形状)であってもよい。
The shape of the
図示は省略するが、中空領域474の形状も、中空領域472と同様の形状にすることができる。
Although not shown, the shape of the
(画素領域外の中空領域の形状の例)
図35は、CMOSイメージセンサの第4実施の形態における画素領域51外のTSV452の周囲に形成される中空領域432の形状の例を示す、CMOSイメージセンサを絶縁膜451の上から見た平面図である。
(Example of the shape of the hollow region outside the pixel region)
FIG. 35 is a plan view of the CMOS image sensor as viewed from above the insulating
中空領域432の形状は、例えば、図35Aに示すように、絶縁膜451の上からみたときにリング状の矩形になる形状であってもよいし、図35Bに示すように、リング状の円形になる形状であってもよい。また、図35Cに示すように線になる形状(ストライプ形状)であってもよい。
The shape of the
また、TSV452の周囲に形成される中空領域432の数は、図35Aや図35Cの例では2つであり、図35Bの例では1つであるが、これらに限定されず、任意の数にすることができる。
Further, the number of
なお、中空領域432、中空領域472、および中空領域474の形状は、カバレッジの悪い成膜方法で絶縁膜が成膜されない形状であれば、図34や図35の形状に限定されない。
The shapes of the
また、第4実施の形態においても、第3実施の形態と同様に、FD配線361の下部および上部に中空領域が形成されるようにしてもよい。
Further, also in the fourth embodiment, as in the third embodiment, hollow regions may be formed in the lower portion and the upper portion of the
さらに、第3実施の形態において、第4実施の形態と同様に、垂直信号線53の周囲に中空領域が形成されるようにしてもよい。また、第3および第4実施の形態において、中空領域が形成される領域は、FD配線361や垂直信号線53以外の容量を低減したい配線の周囲であってもよい。
Further, in the third embodiment, as in the fourth embodiment, a hollow region may be formed around the
また、第3および第4実施の形態において、半導体基板322に中空領域が形成されるようにしてもよい。
Further, in the third and fourth embodiments, a hollow region may be formed in the
<第5実施の形態>
(撮像装置の一実施の形態の構成例)
図36は、本開示を適用した電子機器としての撮像装置の一実施の形態の構成例を示すブロック図である。
<Fifth Embodiment>
(Structure example of one embodiment of the imaging device)
FIG. 36 is a block diagram showing a configuration example of an embodiment of an imaging device as an electronic device to which the present disclosure is applied.
図36の撮像装置1000は、ビデオカメラやデジタルスチルカメラ等である。撮像装置1000は、レンズ群1001、固体撮像素子1002、DSP回路1003、フレームメモリ1004、表示部1005、記録部1006、操作部1007、および電源部1008からなる。DSP回路1003、フレームメモリ1004、表示部1005、記録部1006、操作部1007、および電源部1008は、バスライン1009を介して相互に接続されている。
The
レンズ群1001は、被写体からの入射光(像光)を取り込んで固体撮像素子1002の撮像面上に結像する。固体撮像素子1002は、上述したCMOSイメージセンサからなる。固体撮像素子1002は、レンズ群1001によって撮像面上に結像された入射光の光量を画素単位で電気信号に変換して画素信号としてDSP回路1003に供給する。
The
DSP回路1003は、固体撮像素子1002から供給される画素信号に対して所定の画像処理を行い、画像処理後の画像信号をフレーム単位でフレームメモリ1004に供給し、一時的に記憶させる。
The
表示部1005は、例えば、液晶パネルや有機EL(Electro Luminescence)パネル等のパネル型表示装置からなり、フレームメモリ1004に一時的に記憶されたフレーム単位の画素信号に基づいて、画像を表示する。
The
記録部1006は、DVD(Digital Versatile Disk)、フラッシュメモリ等からなり、フレームメモリ1004に一時的に記憶されたフレーム単位の画素信号を読み出し、記録する。
The
操作部1007は、ユーザによる操作の下に、撮像装置1000が持つ様々な機能について操作指令を発する。電源部1008は、電源を、DSP回路1003、フレームメモリ1004、表示部1005、記録部1006、および操作部1007に対して適宜供給する。
The
本技術を適用する電子機器は、画像取込部(光電変換部)にCMOSイメージセンサを用いる装置であればよく、撮像装置1000のほか、撮像機能を有する携帯端末装置、画像読取部にCMOSイメージセンサを用いる複写機などがある。
The electronic device to which this technology is applied may be any device that uses a CMOS image sensor for the image capture unit (photoelectric conversion unit), and in addition to the
<CMOSイメージセンサの使用例>
図37は、上述のCMOSイメージセンサを使用する使用例を示す図である。
<Example of using CMOS image sensor>
FIG. 37 is a diagram showing a usage example using the above-mentioned CMOS image sensor.
上述したCMOSイメージセンサは、例えば、以下のように、可視光や、赤外光、紫外光、X線等の光をセンシングする様々なケースに使用することができる。 The CMOS image sensor described above can be used in various cases for sensing light such as visible light, infrared light, ultraviolet light, and X-ray, as described below.
・ディジタルカメラや、カメラ機能付きの携帯機器等の、鑑賞の用に供される画像を撮影する装置
・自動停止等の安全運転や、運転者の状態の認識等のために、自動車の前方や後方、周囲、車内等を撮影する車載用センサ、走行車両や道路を監視する監視カメラ、車両間等の測距を行う測距センサ等の、交通の用に供される装置
・ユーザのジェスチャを撮影して、そのジェスチャに従った機器操作を行うために、TVや、冷蔵庫、エアーコンディショナ等の家電に供される装置
・内視鏡や、赤外光の受光による血管撮影を行う装置等の、医療やヘルスケアの用に供される装置
・防犯用途の監視カメラや、人物認証用途のカメラ等の、セキュリティの用に供される装置
・肌を撮影する肌測定器や、頭皮を撮影するマイクロスコープ等の、美容の用に供される装置
・スポーツ用途等向けのアクションカメラやウェアラブルカメラ等の、スポーツの用に供される装置
・畑や作物の状態を監視するためのカメラ等の、農業の用に供される装置
・ Devices that take images for viewing, such as digital cameras and portable devices with camera functions. ・ For safe driving such as automatic stop and recognition of the driver's condition, in front of the car Devices used for traffic, such as in-vehicle sensors that photograph the rear, surroundings, and interior of vehicles, surveillance cameras that monitor traveling vehicles and roads, and distance measurement sensors that measure distance between vehicles, etc. Equipment used in home appliances such as TVs, refrigerators, and air conditioners to take pictures and operate the equipment according to the gestures ・ Endoscopes, devices that perform angiography by receiving infrared light, etc. Equipment used for medical and healthcare ・ Equipment used for security such as surveillance cameras for crime prevention and cameras for person authentication ・ Skin measuring instruments for taking pictures of the skin and taking pictures of the scalp Equipment used for beauty such as microscopes ・ Equipment used for sports such as action cameras and wearable cameras for sports applications ・ Camera etc. for monitoring the condition of fields and crops , Equipment used for agriculture
なお、本明細書に記載された効果はあくまで例示であって限定されるものではなく、他の効果があってもよい。 It should be noted that the effects described in the present specification are merely examples and are not limited, and other effects may be obtained.
また、本開示の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。 Further, the embodiment of the present disclosure is not limited to the above-described embodiment, and various changes can be made without departing from the gist of the present disclosure.
本開示は、CMOSイメージセンサだけでなく、CCD(Charge Coupled Device)イメージセンサにも適用することができる。 The present disclosure can be applied not only to a CMOS image sensor but also to a CCD (Charge Coupled Device) image sensor.
なお、本開示は、以下のような構成もとることができる。 The present disclosure may have the following structure.
(1)
フローティングディフュージョンに接続するFD配線と、前記FD配線以外の配線との間の少なくとも一部の領域が、中空領域である
ように構成された
固体撮像素子。
(2)
前記FD配線と前記中空領域は接する
ように構成された
前記(1)に記載の固体撮像素子。
(3)
前記FD配線と前記中空領域は接しない
ように構成された
前記(1)に記載の固体撮像素子。
(4)
前記中空領域は、前記FD配線と、前記FD配線以外の配線との間の領域のうちの、前記FD配線と、転送トランジスタに接続するTRG配線との間の領域以外の領域である
ように構成された
前記(1)乃至(3)のいずれかに記載の固体撮像素子。
(5)
垂直信号線の周囲の少なくとも一部が、中空領域である
ように構成された
前記(1)乃至(4)のいずれかに記載の固体撮像素子。
(6)
前記FD配線は、複数のフローティングディフュージョンのそれぞれに接続する複数のFD配線のうちの一部である
ように構成された
前記(1)乃至(5)のいずれかに記載の固体撮像素子。
(7)
前記中空領域の数は複数である
ように構成された
前記(1)に記載の固体撮像素子。
(8)
前記FD配線と前記FD配線以外の配線との間の領域のうちの前記中空領域以外の領域には、絶縁膜が形成される
ように構成された
前記(1)または(7)のいずれかに記載の固体撮像素子。
(9)
前記中空領域の上部の周囲に形成される絶縁膜の材料と、前記中空領域の下部の周囲に形成される絶縁膜の材料とは異なる
ように構成された
前記(8)に記載の固体撮像素子。
(10)
前記中空領域の下部のサイズは、上部のサイズに比べて大きい
ように構成された
前記(9)に記載の固体撮像素子。
(11)
前記中空領域の数は複数であり、
複数の前記中空領域の下部は接続される
ように構成された
前記(10)に記載の固体撮像素子。
(12)
前記FD配線と、前記FD配線と接続する半導体基板との間の少なくとも一部の領域が中空領域である
ように構成された
前記(1)または(7)乃至(11)のいずれかに記載の固体撮像素子。
(13)
前記FD配線、前記FD配線以外の配線、および前記中空領域が形成された配線層が積層される第1の半導体基板と、
前記第1の半導体基板と接合される第2の半導体基板と、
前記第1の半導体基板と前記第2の半導体基板を電気的に接続する接続部と
を備え、
前記配線層の前記接続部の周囲に中空領域が形成される
ように構成された
前記(1)または(7)乃至(11)のいずれかに記載の固体撮像素子。
(14)
前記配線層の前記接続部の周囲に形成された中空領域は、前記第1の半導体基板を貫通する
ように構成された
前記(13)に記載の固体撮像素子。
(15)
フローティングディフュージョンに接続するFD配線と、前記FD配線以外の配線との間の少なくとも一部の領域が、中空領域である固体撮像素子
を備える電子機器。
(16)
第1の半導体基板と、
前記第1の半導体基板と接合される第2の半導体基板と、
前記第1の半導体基板と前記第2の半導体基板を電気的に接続する接続部と
を備え、
前記第1の半導体基板に積層される配線層の前記接続部の周囲に中空領域が形成される
固体撮像素子。
(1)
A solid-state image sensor configured such that at least a part of a region between the FD wiring connected to the floating diffusion and the wiring other than the FD wiring is a hollow region.
(2)
The solid-state image sensor according to (1), wherein the FD wiring and the hollow region are configured to be in contact with each other.
(3)
The solid-state image sensor according to (1), wherein the FD wiring and the hollow region are not in contact with each other.
(4)
The hollow region is configured to be a region other than the region between the FD wiring and the TRG wiring connected to the transfer transistor in the region between the FD wiring and the wiring other than the FD wiring. The solid-state imaging device according to any one of (1) to (3) above.
(5)
The solid-state image sensor according to any one of (1) to (4) above, wherein at least a part around the vertical signal line is a hollow region.
(6)
The solid-state image sensor according to any one of (1) to (5) above, wherein the FD wiring is configured to be a part of a plurality of FD wirings connected to each of the plurality of floating diffusions.
(7)
The solid-state image sensor according to (1) above, wherein the number of hollow regions is configured to be plural.
(8)
Any of the above (1) or (7) configured such that an insulating film is formed in a region other than the hollow region among the regions between the FD wiring and the wiring other than the FD wiring. The solid-state image sensor according to the description.
(9)
The solid-state imaging device according to (8), wherein the material of the insulating film formed around the upper part of the hollow region and the material of the insulating film formed around the lower part of the hollow region are different from each other. ..
(10)
The solid-state image sensor according to (9) above, wherein the size of the lower part of the hollow region is configured to be larger than the size of the upper part.
(11)
The number of the hollow regions is plural,
The solid-state image sensor according to (10) above, wherein the lower portions of the plurality of hollow regions are configured to be connected.
(12)
The above (1) or (7) to (11), wherein at least a part of the region between the FD wiring and the semiconductor substrate connected to the FD wiring is a hollow region. Solid-state image sensor.
(13)
A first semiconductor substrate on which the FD wiring, wiring other than the FD wiring, and a wiring layer on which the hollow region is formed are laminated.
A second semiconductor substrate bonded to the first semiconductor substrate and
A connection portion for electrically connecting the first semiconductor substrate and the second semiconductor substrate is provided.
The solid-state image sensor according to any one of (1) or (7) to (11), wherein a hollow region is formed around the connection portion of the wiring layer.
(14)
The solid-state imaging device according to (13), wherein the hollow region formed around the connection portion of the wiring layer is configured to penetrate the first semiconductor substrate.
(15)
An electronic device including a solid-state image sensor in which at least a part of a region between an FD wiring connected to a floating diffusion and a wiring other than the FD wiring is a hollow region.
(16)
The first semiconductor substrate and
A second semiconductor substrate bonded to the first semiconductor substrate and
A connection portion for electrically connecting the first semiconductor substrate and the second semiconductor substrate is provided.
A solid-state image sensor in which a hollow region is formed around the connection portion of the wiring layer laminated on the first semiconductor substrate.
50 CMOSイメージセンサ, 53 垂直信号線, 92 転送トランジスタ, 93 FD, 132 FD配線, 133 配線, 134 TRG配線, 135,201乃至206,221,241 中空領域, 301,302 FD, 320 CMOSイメージセンサ, 321,322 半導体基板, 351,352 配線層, 353 絶縁膜, 361 FD配線, 364A乃至364C 中空領域, 421 絶縁膜, 432 中空領域, 452 TSV, 1000 撮像装置, 1002 固体撮像素子 50 CMOS image sensor, 53 vertical signal line, 92 transfer transistor, 93 FD, 132 FD wiring, 133 wiring, 134 TRG wiring, 135, 201 to 206, 221, 241 hollow area, 301, 302 FD, 320 CMOS image sensor, 321 322 semiconductor substrate, 351 352 wiring layer, 353 insulating film, 361 FD wiring, 364A to 364C hollow area, 421 insulating film, 432 hollow area, 452 TSV, 1000 image sensor, 1002 solid-state image sensor
Claims (14)
増幅トランジスタと前記FD配線とを接続する第2の配線と
を有し、
前記第1の配線と前記第2の配線の間の領域が、複数の中空領域であるように構成されており、
前記FD配線は、光入射面に対して垂直な方向で、前記フローティングディフュージョンおよび前記増幅トランジスタそれぞれと重なる位置に配置される
固体撮像素子。 The first wiring that connects the floating diffusion and the FD wiring,
It has a second wiring that connects the amplification transistor and the FD wiring.
The region between the first wiring and the second wiring is configured to be a plurality of hollow regions.
The FD wiring is a solid-state image sensor arranged at a position perpendicular to the light incident surface and overlapping the floating diffusion and the amplification transistor.
ように構成された
請求項1に記載の固体撮像素子。 The solid-state image sensor according to claim 1, wherein the FD wiring and the hollow region are configured to be in contact with each other.
ように構成された
請求項1に記載の固体撮像素子。 The solid-state image sensor according to claim 1, wherein the FD wiring and the hollow region are not in contact with each other.
ように構成された
請求項1に記載の固体撮像素子。 The hollow region is configured to be a region other than the region between the FD wiring and the TRG wiring connected to the transfer transistor in the region between the FD wiring and the wiring other than the FD wiring. The solid-state imaging device according to claim 1.
ように構成された
請求項1に記載の固体撮像素子。 The solid-state imaging device according to claim 1, wherein at least a part around the vertical signal line is a hollow region.
ように構成された
請求項1に記載の固体撮像素子。 The solid-state image sensor according to claim 1, wherein the FD wiring is configured to be a part of a plurality of FD wirings connected to each of the plurality of floating diffusions.
ように構成された
請求項1に記載の固体撮像素子。 The solid-state image sensor according to claim 1, wherein an insulating film is formed in a region other than the hollow region in the region between the FD wiring and the wiring other than the FD wiring.
ように構成された
請求項7に記載の固体撮像素子。 The material of the insulating film formed around the upper part of the hollow region and the material of the insulating film formed around the lower part of the hollow region are configured to be different from each other.
The solid-state image sensor according to claim 7.
ように構成された
請求項8に記載の固体撮像素子。 The size of the lower part of the hollow region was configured to be larger than the size of the upper part.
The solid-state image sensor according to claim 8.
複数の前記中空領域の下部は接続される
ように構成された
請求項9に記載の固体撮像素子。 The number of the hollow regions is plural,
The lower parts of the plurality of hollow regions were configured to be connected.
The solid-state image sensor according to claim 9.
ように構成された
請求項1に記載の固体撮像素子。 The solid-state image sensor according to claim 1, wherein at least a part of a region between the FD wiring and the semiconductor substrate connected to the FD wiring is a hollow region.
前記第1の半導体基板と接合される第2の半導体基板と、
前記第1の半導体基板と前記第2の半導体基板を電気的に接続する接続部と
を備え、
前記配線層の前記接続部の周囲に中空領域が形成される
ように構成された
請求項1に記載の固体撮像素子。 A first semiconductor substrate on which the FD wiring, wiring other than the FD wiring, and a wiring layer on which the hollow region is formed are laminated.
A second semiconductor substrate bonded to the first semiconductor substrate and
A connection portion for electrically connecting the first semiconductor substrate and the second semiconductor substrate is provided.
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein a hollow region is formed around the connection portion of the wiring layer.
ように構成された
請求項12に記載の固体撮像素子。 The hollow region formed around the connection portion of the wiring layer is configured to penetrate the first semiconductor substrate.
The solid-state image sensor according to claim 12.
を備える電子機器。 It has a first wiring that connects the floating diffusion and the FD wiring, and a second wiring that connects the amplification transistor and the FD wiring, and the region between the first wiring and the second wiring is The FD wiring is configured to be a plurality of hollow regions, and the FD wiring includes a solid-state imaging element arranged at a position overlapping each of the floating diffusion and the amplification transistor in a direction perpendicular to the light incident surface. Electronics.
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